Mecanismos de dispersión de partículas reforzantes

Mecanismos de dispersión de
partículas reforzantes para PP
en un extrusor de doble-husillo
Tomás Lozano Ramírez, Julio César Barrientos Cisneros,
Demetrio Nieves Mendoza, Ángel Rodríguez Gómez
Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Tamaulipas.
tomas.lozano@polymtl.ca , tomaslozano@hotmail.com
RESUMEN
Es común reforzar los plásticos mezclándoles partículas de materiales sólidos.
Una parte muy importante en el diseño de máquinas de extrusión es el estudio de
la dispersión de las partículas de refuerzo durante el procesado del plástico. En
este trabajo se preparó una mezcla de polipropileno (PP) reforzado con carbonato
de calcio y se colocó en un extrusor de doble husillo para estudiar tal fenómeno.
La evolución de la dispersión fue evaluada utilizando análisis de imagen de
micrografías tomadas con luz reflejada, encontrándose que las partículas de
refuerzo se aglomeraban aún en la matriz fundida y que los elementos de amasado
de la máquina son muy eficientes en el rompimiento de los aglomerados.
PALABRAS CLAVE
Refuerzo, polipropileno, aglomerados, dispersión, extrusión.
ABSTRACT
It is common to reinforce plastics by mixing particles of solid materials. A very
important issue in the design of extrusion machines is the study of the dispersion
of the reinforcing particles during plastics processing. A mixture of polypropylene
(PP) reinforced with calcium carbonate was prepared in this work. The mixture
was placed into a twin-screw extruder for studying such phenomenon. Evolution
of the dispersion was evaluated by image analysis of reflected light micrographs,
finding that the reinforcing particles became agglomerates even in the molten
matrix, and that the reverse kneading blocks were very efficient in breaking the
agglomerates.
KEYWORD
Reinforcement, polypropylene, agglomerate, dispersion, extrusion.
INTRODUCCIÓN
Los refuerzos particulados se usan en polímeros para reducir costos, mejorar
el procesado, controlar la densidad, modificar las propiedades eléctricas, retardar
la flama y para mejorar las propiedades mecánicas.1 Cada tipo de refuerzo mineral
tiene diversas características influenciadas por su tamaño, forma, y composición
química de la superficie.2 El carbonato de calcio es uno de los refuerzos más
comúnmente usados en termoplásticos. Es también el mejor refuerzo para
incrementar el módulo de flexión del polipropileno con efectos limitados sobre
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sus propiedades de impacto. Desafortunadamente,
partículas del refuerzo tienden a unirse unas a otras,
resultando en agregados y aglomerados.
El objetivo de la dispersión es reducir esos
agregados y aglomerados a un tamaño aceptable y
a un costo razonable. Por esta razón, la dispersión
del refuerzo es un parámetro importante para obtener
un producto terminado homogéneo y con mejores
propiedades.
Los extrusores son las máquinas de procesado
más usadas para preparar polímeros reforzados. En
extrusores de doble-husillo corrotativos (TSE), el
mezclado toma lugar en su mayor parte en la sección
de bloques de amasado o mezclado como resultado
del corte y elongación. El extrusor corrotativo es
una máquina versátil que puede proveer un rango
de mezclado desde dispersivo (intensivo) hasta
distributivo dependiendo de la configuración de los
husillos.
Las configuraciones de los extrusores afectan el
estado de dispersión y ésta las propiedades de los
polímeros reforzados. El objetivo de este trabajo
de investigación es comprender detalladamente los
mecanismos de dispersión de refuerzos minerales a
lo largo de un extrusor doble-husillo corrotativo para
posteriores optimizaciones.
Cuantificación del estado de dispersión
Para cuantificar la dispersión, las muestras
fueron pulidas cuidadosamente de acuerdo a la
técnica de preparación desarrollada por Ess. 3
Adicionalmente, para lograr un acabado más fino,
se utilizó agua fría y papel abrasivo más fino (de
carburo de silicio, hasta número 2,400). Diversos
bloques pulidos (conteniendo el polímero reforzado
en discos de 25 mm de diámetro y 1.5 mm de
espesor) fueron preparados para cada muestra.
Diez micrografías a bajas magnificaciones fueron
tomadas aleatoriamente para cada bloque de pulido
y analizadas. Más de 1,000 partículas fueron
detectadas en las 10 micrografías para cada muestra,
conduciendo a un análisis representativo del estado
de dispersión.
La distribución de tamaño de aglomerados y el
índice de dispersión desarrollado por Suetsugu,4
fueron usados en este trabajo para evaluar el estado
de dispersión de las partículas. El índice de dispersión
desarrollado por Suetsugu está definido por:
π
di2 ni
∑
4 AΦ
Donde A es el área de observación, Φ es la fracción
volumen del refuerzo y di y ni son el diámetro y el
Índice de Dispersión = 1 −
PARTE EXPERIMENTAL
Materiales
El polímero usado en este estudio fue una
resina de PP de alta viscosidad proporcionada
por Montell (SM 6100), con un peso molecular
promedio de 264 000 g/mol. Se utilizó carbonato
de calcio (CaCO3) proporcionado por Omya con una
densidad relativa de 2.7 y área superficial de 12 m2/g,
evaluada mediante adsorción de nitrógeno.
Muestras de polímeros con resinas PP empleadas en el
estudio.
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Extrusor de doble husillo corrotativo empleado en las
pruebas.
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número de aglomerados respectivamente. El índice
de dispersión varía desde 0 (donde todo el refuerzo
permanece en la forma de aglomerados) hasta
1 (donde no se detecta ningún aglomerado). El
índice de dispersión de Suetsugu mostró una buena
correlación con las propiedades de impacto.
Procesado del polímero reforzado
El polímero y el refuerzo fueron procesados en
un extrusor de doble husillo corrotativo Leistritz
(LSM 30-34). En todos los experimentos, el perfil
de temperaturas fue desde 190°C (tolva del extrusor)
hasta 210°C a la salida (dado del extrusor). El flujo
másico en el extrusor fue de 20 kg/h. Se utilizaron
concentraciones de carbonato de calcio de 20% y
50% en peso. El PP y refuerzo fueron introducidos
en la tolva del extrusor.
Diversas configuraciones de husillo fueron
empleadas para estudiar el mecanismo de dispersión
del refuerzo a lo largo del extrusor.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Mecanismos de dispersión en el extrusor
Macro-aglomeración de partículas del refuerzo
antes de la fusión completa del polímero
Una vez removidos los husillos del extrusor se
observó una gran compactación de partículas de
refuerzo en la zona de fusión cuando el refuerzo fue
introducido simultáneamente con el polímero en la
tolva del extrusor. Estos resultados coinciden con los
de Mack,5,6 Andersen7 y Ess.3 El mecanismo puede
ser explicado como sigue: las partículas de refuerzo
parcialmente incorporadas en la matriz (la zona de
transporte de sólidos fue muy corta para plastificar
completamente el polímero) fueron compactadas
debido a la gran presión en la zona de fusión (primera
zona de amasado del extrusor). La compactación fue
facilitada debido a que se utilizó una concentración
alta de refuerzo y un flujo másico elevado. Se puede
concluir que normalmente hay una aglomeración
previa a la fusión del polímero (aglomerados del
refuerzo están parcialmente mojados por el polímero),
las partículas altamente cohesivas interactúan ya sea
en los elementos de transporte o zona de fusión y
conducen a una aglomeración.
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Introducción del refuerzo al centro del
extrusor
Se observó que el estado de dispersión fue
adecuado cuando el refuerzo fue introducido al
centro del extrusor y utilizando una zona de fusión
moderada (sin muchos elementos de amasado).
Observaciones similares fueron reportadas por
Wu y Bories.8,9 Para zonas de fusión muy severas
(consistiendo en muchos elementos de amasado)
la dispersión fue inadecuada. Esta aglomeración
fue probablemente debida a una floculación del
refuerzo por la viscosidad muy baja en el centro del
extrusor, también es importante señalar que el nivel
de esfuerzos de corte transferidos a las partículas del
relleno disminuye con una viscosidad poco baja.
La introducción del mineral en el centro del
extrusor presenta algunas ventajas, menos desgaste
del barril y tornillo, eliminación de una aglomeración
secundaria del refuerzo durante el transporte de
sólidos y una facilidad para incrementar el gasto
másico o volumétrico de alimentación.
Macro-aglomeración de partículas cuando
el refuerzo está incorporado en el polímero
fundido
La aglomeración llega a ser muy difícil cuando la
viscosidad del polímero es muy alta. Sin embargo, se
observó una aglomeración de partículas de refuerzo
en las secciones altamente presurizadas del extrusor
doble husillo, cuando un dado capilar fue colocado
a la salida del extrusor. El diámetro pequeño (1.85
mm) y la longitud importante del dado capilar (60
mm) condujeron a una elevada presión a la salida
del extrusor. Al retirar los husillos se detectó una
compactación importante de carbonato de calcio en
la última sección de estos (sección cercana al dado)
7
para presiones de extrusión alrededor 1.38X10 Pa.
La configuración del extrusor de doble tornillo
usado para procesar el polímero reforzado se muestra
en la figura 1. El flujo volumétrico del extrusor fue
mantenido constante. Una válvula “by-pass” localizada
antes del dado capilar permitió controlar el caudal de la
entrada a éste y tomar las muestras para el análisis de
tamaños de partícula. Diversos caudales a la entrada
del dado capilar fueron utilizados y éstos generaron
diversas presiones a la salida del extrusor.
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Fig. 1. Configuración del extrusor de doble husillo
utilizado para extruir muestras de PP/CaCO3 a través
del dado capilar.
La distribución de tamaño de los aglomerados de
las muestras colectadas antes del dado capilar para
dos presiones diferentes se muestra en la figura 2. En
la figura 2a (histograma), hay menos aglomerados
grandes y más aglomerados pequeños comparados
al histograma 2b. En los histogramas se observa
claramente que hay más partículas en el rango de
(30-50) μm y de (50- 70) μm para una presión de
extrusión más baja. Esto indica la aglomeración
para presiones elevadas. A bajas presiones se
están desintegrando más los aglomerados. Es bien
conocido,10 que para el fenómeno de ruptura hay
un aumento de aglomerados (daughter fragments).
Los resultados muestran que una presión muy alta
7
a la salida del extrusor (1.38X10 Pa), conduce a
la compactación del carbonato de calcio altamente
cohesivo. En ambos casos, el estado de dispersión fue
muy similar en la zona número 4 del extrusor (presión
más baja), lo cual significa que la aglomeración fue
facilitada en las zonas altamente presurizadas del
extrusor. A veces se utilizan válvulas especiales para
aumentar el tiempo de residencia en los extrusores
de doble husillo, sin embargo se debe tener cuidado
para evitar la compactación del refuerzo.
En este trabajo se utilizó un refuerzo sin
tratamiento superficial, el cual probablemente facilitó
la aglomeración.
Desintegración de aglomerados en secciones
de mezclado
Ess3 estudió el efecto de los elementos dispersivos
(discos segmentados) en la sección de mezclado
de un TSE para la dispersión de aglomerados de
CaCO3 en PP. Sin embargo, él no observó ninguna
reducción significativa en el tamaño de las partículas
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Fig. 2. Distribución de tamaño de aglomerados de las
muestras extrudidas, a) 2.21X106 Pa y b) 1.38X107 Pa
generados a la salida del extrusor. En ambos casos el
contenido de CaCO3 fue de 20% en peso.
del refuerzo. Probablemente, los discos segmentados
no generaron suficientes esfuerzos de corte para
romper los aglomerados. En el presente trabajo, se
utilizaron bloques de amasado para estudiar su efecto
sobre la dispersión del refuerzo (CaCO3) en la zona
de mezclado del extrusor doble-husillo. También se
analizaron el ancho y ángulo de defasamiento de los
elementos de amasado en la zona de mezclado del
extrusor. Las configuraciones de tornillos utilizadas
se muestran en la figura 3. La única diferencia en estas
configuraciones es la sección de mezclado (segunda
sección de los bloques de amasado). En todos estos
experimentos la concentración del refuerzo fue
de 50% en peso y la velocidad de rotación de los
tornillos fue fijada a 350 RPM.
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Fig. 4. Evolución del índice de dispersión para las
diferentes secciones de mezclado del TSE.
rompimiento de partículas que las configuraciones
3a y 3b respectivamente). El tiempo de residencia es
mayor cuando se utilizan discos más anchos.
Franzheim y Stephan11 encontraron que la dispersión
de Poliamida 6 en PP fue mejorada con aumento de
la anchura de los elementos de amasado en la zona de
mezclado de un extrusor de doble tornillo.
Fig. 3. Configuración de la zona de mezclado del TSE,
a) sin bloques de amasado; b) cuatro elementos de
amasado directos, longitud total = 30 mm (30o); c) cuatro
elementos de amasado directos, longitud total = 60 mm
(30o); d) cuatro elementos de amasado inversos, longitud
total = 60mm (-30o). GFA xx yy representa elementos de
transporte: xx es el paso de los elementos en mm, yy es
longitud total en mm. KB xx/y/zz representa elementos
de amasado, xx es el ángulo de desfasamiento, y el
número de elementos y zz es la longitud total en mm.
Efecto del ancho de los elementos de amasado
sobre la dispersión del refuerzo
Las configuraciones 3b y 3c fueron usadas para
estudiar el ancho del elemento de amasado. La
dispersión obtenida con la configuración 3c fue la
mejor. La configuración 3b con solo 4 elementos de
amasado (con una longitud total de 30 mm) no fue
perceptiblemente diferente de la configuración del
extrusor sin ningún elemento de amasado en la zona
de mezclado (figura 4). Los índices de dispersión
obtenidos con las configuraciones 3a y 3b fueron
muy similares en la salida del extrusor.
La mejora en la dispersión con la configuración
3c fue debido probablemente a que el tiempo de
residencia fue mayor en la zona de mezclado (mayor
duración de los esfuerzos de corte para facilitar el
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Efecto del ángulo de desfasamiento de los
elementos de amasado sobre la dispersión del
refuerzo
Las configuraciones 3c y 3d fueron utilizadas
para estudiar el efecto del ángulo de desfasamiento
de los elementos de amasado sobre la dispersión.
En la configuración 3c se usaron bloques de
amasado directos, mientras que en la configuración
3d se usaron elementos inversos. La configuración
3d, con los bloques inversos, dio una dispersión
mucho mejor que con las directos (configuración
3c). Los elementos inversos son muy restrictivos;
estos elementos empujan el material hacia atrás,
aumentando el tiempo de residencia (tiempo de la
dispersión) perceptiblemente. En términos generales,
los elementos inversos dieron el mejor resultado
en términos de la reducción de tamaño de los
aglomerados (ver valores del índice de dispersión,
figura 4). Esto se debe probablemente a una mayor
duración de los esfuerzos de corte. Sin embargo, un
amperaje más alto y una temperatura más alta del
barril en la sección de mezclado fueron observados
con esta clase de arreglo de elementos de mezclado.
Aquí, solamente 4 elementos fueron empleados para
prevenir la degradación de la matriz.
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CONCLUSIONES
Para obtener un buen procesamiento de
materiales poliméricos reforzados en un extrusor
de doble tornillo, es preferible agregar el refuerzo
al polímero fundido, pero la viscosidad debe ser
suficientemente alta para evitar una floculación
(aglomeración) de partículas del refuerzo.
Este procedimiento reduce el desgaste de los
tornillos así como también el consumo de energía
eléctrica.
Las presiones muy altas de extrusión pueden
conducir a la compactación del refuerzo. Los
elementos de amasado inversos son muy eficaces
para la dispersión de partículas del refuerzo. Sin
embargo, se debe tener cuidado con la degradación
térmica del polímero.
Se observó en esta investigación un aumento
importante de la temperatura en la zona de mezclado
usando este tipo de arreglo de elementos.
RECONOCIMIENTOS
Los autores desean agradecer al programa
de mejoramiento al profesorado (PROMEP)
por el apoyo financiero, No. de Proyecto:
PROMEP/103.5/05/1951.
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REFERENCIAS
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